水泥基材料是指以水泥作为胶凝材料的工程材料，水泥基材料的弹性性能是建立其力学本构关系，影响其结构或构件变形及开裂性能的重要力学性能参数。然而，由于水泥基材料组成和结构的复杂性，目前尚未能实现基于原材料组成和硬化浆体微结构的宏观弹性行为的预测。　　本论文通过对纯水泥浆体及掺有粉煤灰、矿粉和硅灰的水泥浆体在微纳米尺度弹性性能的系统研究，获得水胶比、龄期、掺合料等对水化产物种类和分布的影响规律，并从微观尺度解释矿物掺合料对水泥浆体力学性能的贡献;通过对水泥砂浆界面过渡区的组成、结构和弹性性能的系统研究，探索水胶比、养护时间以及矿物掺合料等关键因素对界面过渡区的影响规律;在前述研究的基础上，提出了含有掺合料的复杂胶凝体系硬化浆体的结构模型，并运用该模型结合细观力学方法实现从微纳米尺度弹性性能到细观和宏观尺度水泥基材料的弹性性能的计算。本论文主要研究内容及成果包括以下几个方面:　　1)微纳米尺度水泥基材料弹性性能　　采用纳米压痕技术(NI)、背散射图像分析技术、能谱分析技术、热分析技术等手段系统研究了水胶比、龄期、掺合料等对水化产物种类、分布和弹性性能的影响规律。　　本论文通多引入聚类分析中类确定Gap方法和基本准则下的随机数法解决了“统计纳米压痕技术”(SNT)中原存在的初值设定人为因素的问题;同时，通过多技术复合论证，确定了NI测试表征的具有特征弹性模量的真实物相，并通过引入多孔介质微观力学分析出导致水泥浆体内部水化产物(IP)和外部水化产物(OP)弹性性能差异的主要因素。　　经过纳米压痕、背散射分析、能谱分析、热重分析等多技术复合论证，SNT测试分析得出的具有弹性性能特征值的所谓“低密度水化硅酸钙凝胶”(LD C-S-H)和“高密度水化硅酸钙凝胶”(HD C-S-H)真实对应物相应为IP和OP。IP主要表征的是水化硅酸钙凝胶(C-S-H)与氢氧化钙(CH)的夹杂;而OP主要表征是C-S-H与CH、钙矾石、单硫型水化硫铝酸钙构成的两相或多相的混合。IP和OP都不是纯C-S-H凝胶颗粒的堆积。　　2)复杂胶凝体系水泥浆体微结构及表征模型　　多技术测试论证了背散射图像分析是研究水泥浆体微结构的有效手段。自行开发了背散射图像处理程序，可以解决图像中矿粉、粉煤灰等物相的分离问题，在提高图像分析效率的同时，使背散射分析可应用于复杂胶凝体系水泥浆体物相组成的分析和计算。　　基于扫描电子显微镜背散射(SEM-BSE)图像分析研究了水化龄期、水胶比、矿物掺合料等因素对于水泥浆体微结构的影响。　　研究了多种水化动力学模型和微结构表征模型，通过基于反应方程式和固相体积变化率的微结构模型，实现了复杂胶凝体系水泥浆体组成物相的体积分数计算。研究了模型计算结果与背散射测试分析结果的差异，确定了适用于早龄期水泥浆体的微结构表征模型和长龄期复杂胶凝体系微结构表征模型。　　3)复杂胶凝体系水泥浆体弹性性能　　测试研究了水泥浆体主要组成物相的弹性性能，并基于测试结果和微结构模型的研究，通过连续介质微观力学方法实现了复杂胶凝体系水泥浆体弹性性能的预测。研究了预测结果与宏观实验结果的差异，确认了预测模型对于早期水泥浆体和长龄期复杂胶凝体系水泥浆体的适用性，并提出预测模型的改进方向。　　4)砂浆界面过渡区微结构和弹性性能　　采用多技术复合原位测试技术系统研究了水胶比、养护时间、矿物掺合料和养护制度等关键因素对砂浆界面过渡区微结构和弹性性能的影响规律。　　5)砂浆弹性性能的预测模型和实验验证　　综合本论文复杂胶凝体系水泥浆体弹性性能、砂浆界面过渡区微结构和弹性性能等方面的研究成果，通过选用Lu&Torquato模型计算界面过渡区体积分数并采用复合材料四相球模型，实现了基于多尺度方法的水泥砂浆弹性模量的预测，预测结果与宏观试验结果的对比情况显示出该模型预测水泥砂浆弹性模量的准确性。